1、光通信技術(shù)高新講座信息技術(shù)IT：InformationTechnology包括四個部分：信息獲取，信息傳輸,信息處理和信息應(yīng)用。信息技術(shù)革命主要體現(xiàn)在三個方面：微電子技術(shù).數(shù)字技術(shù)、光通信技術(shù)第一章引言第二章傳輸光路第三章光發(fā)射機(jī)第四章光接收機(jī)第五章光放大第一章引言光纖通信發(fā)展的歷史、優(yōu)點和應(yīng)用44通信是通過某種媒體進(jìn)行的信息傳遞。ca光通信的概念根據(jù)使用的電磁波頻率范圍分類：r有線通信1無線通信通信技術(shù)電通信光通信光通信是利用光波來傳送信息的。LASER光纖畤恭讎爍器醴朵以光纖作為傳輸陽八麗GOOD光纖通信優(yōu)點損耗低，0.2dB/km傳輸容量大，400nm,50THz重量輕，體積小，27g/

2、kmfiber資源豐富，石英抗電磁干擾，不易串音，抗雷擊，通信質(zhì)量高防爆性能好寬帶寬，大容量，能量集中，器件尺寸小，功耗低1.探索時期的光通信原始形式的光通信:中國古代用“烽火臺”報警，歐洲人用旗語傳送信息。1880年，美國人貝爾(Bell)發(fā)明了用光波作載波傳送話音的“光電話”。貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型。1960年，美國人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺紅寶石激光器，給光通信帶來了新的希望。激光器的發(fā)明和應(yīng)用，使沉睡了80年的光通信進(jìn)入一個嶄新的階段。在這個時期，美國麻省理壬學(xué)院利用He-Ne激光器和CO?激光器進(jìn)行了大氣激光通信就。nrjmm二、或扌flIflLll由于沒有找到穩(wěn)定可靠

3、和低損耗的傳輸介盾二對光通信的研究曾一度走入了低潮宀r貝力t的“光話”演示實驗AlexanderGrahamBelldemonsvoicetransmissionviahis“photpa一EodoUNGUEsSTL的早期關(guān)于光纖的實驗“光纖之父”高錠詩士在英國2現(xiàn)代光纖通信1966年，英籍華裔學(xué)者(CA.Hockham)發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文，指出了利用光纖(OpticalFiber)進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑,奠定了現(xiàn)代光通信一光纖通信的基礎(chǔ)o指明通過“原材料的提純制造出適合于長距離通信使用的低損耗光纖”這一發(fā)展方:旅餐明人論文：光頻介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)(Dielectric-Fi

4、berSufaceWaveguiOpticalFrequency)*iTi提出：制造石英光纖可實現(xiàn)光纖通信指出三點：光纖的容量很大高純石英光纖的損失彳單模光纖的原理構(gòu)造低幷光纖之父w涂綠-:：?:T近-hJfefl-.：-.：-.匚-m.廣mI】-.、a,/.：.im.；：*:Z-,釁迄惑；.；住3黔：:好養(yǎng)屯慕、。狀恕:*卅九:,】，刃卻it護(hù)mi、加ww：.Bi；-:-:.-:.*.-,.;:.-.-.-.-rm齡證谿朋影翻購題:匚一.；.：Aim美國科i博伊爾和喬治史密斯。典皇家科學(xué)降說，高銀在“有關(guān)光在纖維中的傳于光學(xué)通信方面”取得了突破性成就，他將獲得匚物理學(xué)獎一半的獎金，共500萬

5、瑞典克朗（約合70就奚元）；博伊爾和史密斯發(fā)明了半導(dǎo)體成像器件1970年，光纖研制取得了重大突破1970年，美國康寧(Corning)公司研制成功損耗20dB/km的石英光纖。把光纖通信的研究開發(fā)推向一個新階段。1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4dB/kmo1973年，美國貝爾(Bell)實驗室的光纖損耗降低到2.5dB/kmo1974年降低到l.ldB/kmo1976年，日本電報電話(NTl7公司將光纖損耗降低到0.47dB/km(波長1.2pm)。在以后的10年中，波長為1.55jim的光纖損耗二1979年是0.20dB/km,198450.157dB/km,1986年是0.

6、154dB/km,接近了光纖最低損耗的理論極限。1970年康寧研制出低損失光纖Corning的3位科學(xué)家Dr.DonalKeck,Dr.BobMaurer,Dr.PeterSchultz于1970年旃制出低損失光纖.光纖長度咪）29,28.1ThepagefromDr.DonaldKeckMlabnotebookrecordingthebreakthroughkxsmeasurementof17dB/kminAugust1970.損失（dB/km）17,18.2芯直徑（微米）3.7（單模）（Dr.Keck的實驗室記錄）Corning展覽館*1970年，光纖通信用光源取得了實質(zhì)性的進(jìn)展1970年

7、，美國貝爾實驗室、日本電氣公司(NEC)和前蘇聯(lián)先后，研制成功室溫下連續(xù)振蕩的稼鋁W(GaAlAs)雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(短波長)。雖然壽命只有幾個小時，但它為半導(dǎo)體激光器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1973年，半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到7000小時。1976年，日本電報電話公司研制成功發(fā)射波長為1.3pm的鋼鐐碑磷(InGaAsP)激光器。導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到101977年，貝爾實驗室研制萬小時。1979年美國電報電話(AT&T)公司和日本電報電話公司研制成功發(fā)射波長為1.55pm的連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器。由于光纖和半導(dǎo)體激光器的技術(shù)進(jìn)步，使焜導(dǎo)*為光纖通信發(fā)展的-個重要里程碑實用光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展1976年，

8、美國在亞特蘭大（Atlan用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗。1976年和1978年，日本先后進(jìn)行了速率為34Mb/s的突變型多模光纖通信系統(tǒng)，以及速率為100Mb/s的漸變型多模光纖通信系統(tǒng)的試驗。1983年敷設(shè)了縱貫日本南北的光纜長途干線。隨后，由美、日.英、法發(fā)起的第一條橫跨大西洋TAT8海底光纜通信系統(tǒng)于1988年建成。第一條橫跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光纜通信系統(tǒng)于1989年建成。從此，海底光纜通信系統(tǒng)的建設(shè)得到了全面展開，促進(jìn)了全球通信網(wǎng)的發(fā)展。第一階段（19661976年），這是從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開發(fā)時期。第二階段（19761986年）,這是以提高傳輸速率和增加傳輸距離為研究目

9、標(biāo)和大力推廣應(yīng)用的大發(fā)展時期。第三階段（1986），這是以超大容量、超長距離為目標(biāo)、全面深入開展新技術(shù)研究的時期。3-光纖通信的應(yīng)光纖可以傳輸數(shù)字信號，也可以傳輸模擬信號。光纖在通信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)與計算機(jī)網(wǎng)，以及在其它數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中,都得到了廣泛應(yīng)用。光纖寬帶干線傳送網(wǎng)和接入網(wǎng)發(fā)展迅速,是當(dāng)前研究開發(fā)應(yīng)用的主要目標(biāo)。光纖通信的各種應(yīng)用可概括如下：通信網(wǎng)構(gòu)成因特網(wǎng)的計算機(jī)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)有線電視網(wǎng)(CATV)的干線和分配網(wǎng)1=)III數(shù)字機(jī)頂盒(STB-SetTopBox),寬帶雙向的多媒體通信網(wǎng)。綜合業(yè)務(wù)光纖接入網(wǎng)用戶終端盹代通借方式1電復(fù)接設(shè)備電復(fù)接5路設(shè)備信用_黑換_電復(fù)接壞路設(shè)備設(shè)備用4用

10、戶終端用戶終端4微益信交換設(shè)備用戶丨交.一i設(shè)備用戶終端接收機(jī)衛(wèi)獸信LZh移動通信傳輸系統(tǒng)第一節(jié)第二節(jié)33傳輸光路光纖無源光器件第一節(jié)光纖ZX1光纖廣2丄2通信用光纖的結(jié)構(gòu)射線理論光是一種頻率很高的電磁波,而光纖本身是一種介質(zhì)波導(dǎo)。-全反射原理光線在均勻介質(zhì)中是以直線傳播的，但在兩種不同介質(zhì)的分界面會產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象：以可以大大降低光纖的衰耗。三以可以大大降低光纖的衰耗。三光纖中光波的傳輸原理全反射“2”孕爾摘只要滿足全內(nèi)反射條件連續(xù)改變?nèi)肷浣堑娜魏喂馍渚€都能在光纖纖芯內(nèi)傳輸。當(dāng)光在光纖中發(fā)生全反射現(xiàn)象時，由于光線基本上全部在纖芯區(qū)進(jìn)行傳播，沒有光跑到包層中去，所光纖全反射掠覆層250um包

11、層125um纖芯8-10um橫I當(dāng)光從折射率高（比）的媒質(zhì)入射到折射率低（1】2）的媒質(zhì)，入過臨界角時，光線在兩種媒質(zhì)的界面上不發(fā)生折射（，現(xiàn)象，只有反射。臨界角：sinac=n2/n12.1.2通信光纖結(jié)構(gòu)和制造1光纖結(jié)構(gòu)2光纖的類型2丄2通信光纖的結(jié)構(gòu)爭1光纖的結(jié)構(gòu)=j巨纖芯主要采用高純度的Si()2二氧化硅，并摻有少量的摻雜劑，提高纖芯的光折射率ni；息包層也是高純度的二氧化硅，也摻雜一些摻雜劑，主要是降低包層的光折射率112；i=i2涂層采用丙烯酸酯、硅橡膠、尼龍，增加機(jī)械強(qiáng)度和可彎曲性。1光纖的結(jié)構(gòu)石英光纖芯層包層涂敷層包層芯（朝脂被覆層光纖的分類方法很多:按照光纖截面折射率分布來分

12、類;按照光纖中傳輸模式數(shù)的多少來分類:按照光纖使用的材料來分類;(1)按光纖截面豐折射率分彗類按照截面上折射率分布的不同韻將光纖分為階躍型光纖(Step-IndexFiber,SIF)和漸變型光纖(Graded-IndexFiber,GIF。根據(jù)芯區(qū)折射率徑向分布的不同可分為:(a)(b)圖2.1階躍光纖(a)與漸變光纖(6)的橫截面和折射率分布不同的折射率分布.傳輸特性完全不同可以將光纖分MMF)和單模(2)按傳輸模式的數(shù)量分類按光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)量，為多模光纖(Multi-ModeFiber,光纖(SingleModeFiber,SMF)ea在一定的工作波上，當(dāng)有多個模式在光纖中傳輸時，則

13、這種光纖稱為多模光纖。ca里穗光纖是只能傳輸一種模式的光纖，單模光纖只能傳輸基模（最低階模），不存在模間時延差,具有比多模光纖大得多的帶寬，這對于高碼速傳輸是非常重要的。纖。光纖的工作波長分類光纖的工作波長可以將光纖分為:（4）按ITU-T建議分類按照ITUT關(guān)于光纖類型的建議，可以將光纖分為G.651光纖（漸變型多模光纖）、G.652光纖（常規(guī)單模光纖）、G.砧3光纖（色散位移光纖）、G.砧4光纖（截止波長光纖）和G655（非零色散位移光纖）光纖。按套塑（二次涂覆層）可以將光纖分為松套光現(xiàn)在實用的石英光纖通常有以下三種：階躍型多模光纖、漸變型多模光纖和階躍型單模光纖。單模光纖的種類標(biāo)準(zhǔn)單模光

14、纖（G.652光纖）色散位移單模光纖（G.653光纖）1550nm波長最低衰減光纖（G.654光纖）非零色散位移光纖（G.655光纖|色散補(bǔ)償光纖（G.65X光纖）茶色散平坦光纖G.652光纖一標(biāo)準(zhǔn)單模光纖一mk，71*在1310nm波長工作時，理論色散值為零，衰耗大；在1550mn波長工作時，傳輸損耗最低，色散系數(shù)較大。單通路速率達(dá)到STM-64時，需要采取色散調(diào)節(jié)手段。在我國占99%以上。雖稱1310nm性能最佳光纖，但絕大部分卻用于1550nm,其原因是在1310nm無實用化光放大器。它可傳輸2.5G或以2.5G為基群的WDM系統(tǒng)；但傳輸TDM的10G,面臨色散受限的難題（色度色散與PM

15、D）oG.653光纖色散位移單模光纖在1550nm波長，衰可實現(xiàn)大容量長距離袍效應(yīng)(FWM)，限制了洽晶出現(xiàn)四波混頻方面的應(yīng)用。、濟(jì)實現(xiàn)了在1550mn波長低衰減和零色散。=可以20Gbit/s系統(tǒng)，不需任何色散補(bǔ)償。日本全國鋪設(shè)。1G砧4光秦ca截止波長移位的單模光纖，它的設(shè)計重點是降低1550nm波長處的衰減。Ca1550nm損耗最小光纖，主要用于長再生中繼距離的海底光纜。ea選用純siO2芯來降低光纖的衰減C9最大優(yōu)點：在1550nm玻長的最低衰減為0.18dB/km.*ca制造困難，價格昂貴，不實用。$rG.655光纖非零色散粒礙纖因既可傳輸TDM（時分復(fù)用模式）的10G,又可傳以2.

16、5G或10G為基群的WDM系統(tǒng)，所以近年倍受青醜翩眾昭瓠蹩在光纖的有目前，G.655光纖尚無國際統(tǒng)一規(guī)范。大的有效面積，會有效地避免非線性效應(yīng)，但將導(dǎo)致色散斜率的增加。小的色散斜率將會便于色散的補(bǔ)償；但其有效面積卻減小。光纖主要重點光纖G.6529G.653p.654G.655截止波長nm1270127015301470零色散波長nm1300-13241500-1600色散斜率ps/km.nm20.0930.085最大色散值13103.53.5YSR-卡ps/km.nm15502050%moreDWDMchannels!AllWaveeliminatesthe1385nmwaterpeak-A

17、dditionalchannelsareinOptimumDispersionangefor10Gb/sDWDMConventionalFiber(1440I625nm)230chAllVVaveFiber(1335162511m)1二匚二二；二二二匚二二二二36Q_cb-200.1120013005th3rd:4th14001500Wavelength(nm)16001700(uqluu/sd)uowads石10o-10-20第二節(jié)無源光器件主要功能：對信號（或能量）的傳輸路徑進(jìn)行連接、合成、分支；對信號的形態(tài)進(jìn)行變換以及有目的衰減其能量等光無源器件在光纖通信系統(tǒng)、光纖局域網(wǎng)（包括計算機(jī)光纖

18、網(wǎng)、微波光纖網(wǎng)、光纖傳感網(wǎng)等器件，有著廣泛的應(yīng)用。）以及各類光纖傳感系統(tǒng)中是必不可少的重要=1第二節(jié)無源光器件3.2.1光纖連接器重點3.2.2光纖耦合器3.2.3波長相關(guān)器件濾波器光纖光柵WDM3.2.4偏光器件PC325功率相關(guān)器件光衰耗器，光隔離器，光環(huán)形器326自聚焦透鏡與光纖準(zhǔn)直器昨嚟糠加V嗟娜D/一，:竹如丄327光開關(guān)光纖通信系統(tǒng)的基本組成U光/電:電/光,t廠i傳輸光路_前端網(wǎng)卡卜;電信號輸入網(wǎng)卡電信號輸出SZ第三章光發(fā)射機(jī)A第二節(jié)光的調(diào)制第一節(jié)光發(fā)射機(jī)使用的光源電信號轉(zhuǎn)化為光信號的這部分電路被稱為光發(fā)射機(jī)。$3：$3：信號是這樣一種電路，其功能是P用光的強(qiáng)度叢J數(shù)字電信號彳3

19、11半導(dǎo)體激光器（LD）匕J：a體激光器3.1.1LD(laserdiode)1-法布里珀羅諧振腔：晶體的天然解理面-2.分布反饋激光器(DFB):光柵結(jié)構(gòu)-3.Bragg反射激光器(DBR):光柵結(jié)構(gòu)irrffisfreeirrffisfree耗盡層常用的激光一同軸型FP激光器法布里珀羅諧振腔：晶體的天然解理面金屬電極經(jīng)屬電極ForYour解理面旳山沁叭常用的激光器-雙列直插蝶形封裝DFB激光器l547?*90rmi5E0.4rni0.58rrvDl$S2rmFP光譜特性多譜線，模式多，選頻特性不好S.ajS-DfiS：0.0trnSO&I炯HIDFJG：I:使用。e:t第三節(jié)直接調(diào)制光發(fā)射

20、機(jī)電信號轉(zhuǎn)化為光信號的這部分電路被稱為光發(fā)射機(jī)。(LD)半導(dǎo)體激光器(LD)LD的特點：工作電流超過閾值電流時才輸出激光，是有閾值的器件。LD驅(qū)動電路：驅(qū)動LD光源器件發(fā)光必須是直流偏置電流lb和信號電流1山共同作用的結(jié)果。J丿偏置部分調(diào)制部分脣用信號IsI!恒流源IT；Ibo重點要求：:L直流偏置電流接近激光器的閾值；2偏置電流不能過大。偏置電路是一個宜用信號電流（調(diào)制部分）與直流電流的相加電路。偏置電路差動放大電路【totel驅(qū)動電路原理A直流偏置A脈沖信號如果有兩個電流源并聯(lián)工作,那么總電流就等于這兩個電流源電流之和電流源，內(nèi)阻非常大的電源。晶體管要求:快的開關(guān)速度和保持良好的電流脈沖波

21、形可以看做一個雙擲開關(guān)，通過控制2個開關(guān)的開合，達(dá)到調(diào)制的目的。Ki調(diào)制電路驅(qū)動芯片366943.3V4IAX36934:1SERIALIZERWITHCLOCKGEN總芟LXJATA丄一+3.3VBIASMONMODMOHBIASMD二DATA-0UT4MAX3669LASERLRd&20R-6.3Q陽LT20Cfilt十5卩F壬FERRITEBEADiooccfT-vccOuod3tsodv冠cm21-a/vMIWM332激光器的控制電路重點332激光器的控制電路重點rmearns激光器的閾值、發(fā)光功率、甚至于波長均與溫度有關(guān)一穩(wěn)定激光器的各項指標(biāo)皿濾盒、激光器是高發(fā)熱器件，過高的結(jié)溫將導(dǎo)

22、致激光器損壞保護(hù)激光器不損壞光功率控制溫度控制溫控原理探測器.放大制冷器11111激光器T|圖溫度閉環(huán)控制巴度軽制熱敏電阻溫度檢測電橋+5V厶金厶金zuvPCirtLHtlLaJK,rU.基平衡電橋電壓的變化+3V放大、溫度控制半導(dǎo)體制冷器（帕爾帖元件）逆熱電效應(yīng)：電流產(chǎn)生兩面的溫度差冷面圖帕爾帖元件DRV591-FEATURESLowSupplyVoltageOperation:2.8Vto5.5VHighEfficiencyGeneratesLessHeatOver-CurrentandThermalProtectionFaultIndicatorsforOver-Current,Ther

23、malandUnder-VoltageonditionsMSchemeOptimizedforEMIDRV591外部連接關(guān)系VDD10|.F1ifUFDCControlfoltage1kl1kQ1UF120kL21pFu_P5.5loooAVDDzOUT+AGND(ConnecttoPowerPAD)PGNDROSCPGNDCOSCPGNDAREFPGNDIN+PGNDIN-PGNDSHUTDOWNOUT-:ShutdownControlFAULT1FAULTO10uH10LIHToTECorLaserDiod&CathodeToTECorLaserDiodeAnode10UF為什么要光功率控

24、制均光功裁穩(wěn)定帶來的問題溫度變化使光功率不穩(wěn)定/0造成判決時脈沖的前后沿抖動光功率控制原理第四節(jié)夕卜調(diào)制-直接強(qiáng)度調(diào)電信號輸亠線路編碼直接調(diào)制的光發(fā)射機(jī)4驅(qū)動電路外調(diào)制器件LD或LEDLD或|LED1控制電路間接調(diào)制的光發(fā)射機(jī)光信號1電光效應(yīng)外調(diào)制的方法2聲光效應(yīng)3磁光效應(yīng)4EAM（電吸收調(diào)制）第四章光接收機(jī)第一節(jié)光探測器第二節(jié)光接收機(jī)的性能要求概述I!光纖通信系統(tǒng)!光發(fā)送機(jī)1電端機(jī)電信號輸入光纖通信系統(tǒng)的衣收樸秤1光前置放大部4重點WJ上洛二光前端接口光檢測器置大前放器主放大器AGC電路前置放大電路任務(wù)：將半導(dǎo)體光電二極管產(chǎn)生的微弱的光電流，無朱真轉(zhuǎn)化為較大的電信號，然后進(jìn)入主放大器作進(jìn)一步

25、的放大半導(dǎo)體光電二極管的等效電路三種放大電路1)高阻抗放大:靈敏度高，帶寬迅低，動態(tài)范圍降低。用于低速系統(tǒng)。(2)低阻抗放大:帶寬提高，動態(tài)范圍有所改善，接收靈敏度低。信噪比低。(3)跨阻抗放大：輸入電阻比較小，動態(tài)范圍比較大。反饋電阻比較大，所以電阻上的熱噪聲比較小。光檢測的物理基礎(chǔ):光電效應(yīng)4.1.1PIN半導(dǎo)體光電二極管13(4-1-1PIN半導(dǎo)體光電二極管耗盡區(qū)一不摻雜本征材料I(intrin引c步驟:1在半導(dǎo)體表面被反射，損失一部分光能；2透過不能產(chǎn)生電子空穴對的表面，進(jìn)一步消耗一部分光能；3剩余的光能到達(dá)能夠產(chǎn)生電子空穴對的耗盡區(qū)，產(chǎn)生電子空穴對；4最后剩余的一部分光能，透過耗盡區(qū)

26、而消耗掉。#偏壓-V45-1002206-1020-355.i強(qiáng)0暗電流nA1-100.1-150-50010-5001-20，1代了,結(jié)電容PF1.2-31.3-22-52-50$性、05z:nqnr0s*第二節(jié)光接收機(jī)的要求（1）極低的誤碼率(2)較高的接收靈敏度（較低的接收光平）；(3)較寬的帶寬，即能夠接收較高速率的光信號碼流;(4)較大的動態(tài)范圍，即可以接收的最大的光信號和最小的光信號的范圍比較大;（5）較低的輸出噪聲。第一節(jié)概述第二節(jié)半導(dǎo)體光放大器第三節(jié)摻鉤光纖放大器光放大器的出現(xiàn)是繼光纖、激光器之后在光信息領(lǐng)域的新突破。在光纖通信中享有重要的地位。光放大器首先解決的是光路損耗的功率補(bǔ)償問題。光放大器能對光信號直接放大，省去光電轉(zhuǎn)換的麻煩，得到了廣泛的應(yīng)用。光放大器的出現(xiàn)，預(yù)示著光信息領(lǐng)域?qū)⒂行碌耐黄?。它將成為光信號處理、光邏輯門、各種光功能器件的基礎(chǔ)元件。光放大器的類型III_般，光放大器都由增益介質(zhì)、泵浦源、輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)組成。根據(jù)增益介質(zhì)不同分類根據(jù)泵浦源不同分類根據(jù)輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)不同分類放大器的基本結(jié)構(gòu)根據(jù)增益介質(zhì)的不同分類:活性介質(zhì)半導(dǎo)體材料:半導(dǎo)體激光放大器摻稀土(N*Sm,HozEr,PrzTm和Yb)光纖，利用受激輻射機(jī)直基于光纖的非線大,如摻雜光纖放大器;光纖喇曼放大器光